автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение работоспособности инструмента, оснащенного режущей керамикой и сверхтвердыми материалами

РГо ОД

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ - ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

КОМСОМОЛЬСКИЙ-НА-АМУРЕ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

на правах рукописи УДК 621,9.02;669.018.25

ПРОНИН АЛЕКСАНДР ИННОКЕНТЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ИНСТРУМЕНТА, ОСНАЩЕННОГО РЕЖУЩЕЙ КЕРАМИКОЙ И СВЕРХТВЕРДЫМИ МАТЕРИАЛАМИ

Специальность 05.03.01. - Процессы мех.анической и физико-технической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Комсомольск-на-Амуре 1995

Работа выполнена на кафедре "Технология машиностроения" Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета

Научный руководитель: член-корреспондент Инженерной академии РФ,доктор ° технических наук, про-

фессор Ю.Г. Кабалдин

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Ю.Ф. Черный;

кандидат технических наук, .О.В. Дунаевский.

Ведущее предприятие: Комсомольский-на-Амуре

завод литейного оборудования "Амурлитмаш"

Защита диссертации состоится "с?/" ^/¿^¿г1995 г. в часов на заседании специализированного Сове-

та К. 064.70.01 в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, г.Комсомольск-на-Амуре, ул. Ленина, 27 корп.1, ауд. 122-1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан "_"__1995 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат технических, наук,

профессор '/ Б.Я.Мокрицкий

Актуальность УС1Д1; Одной из главных тенденций развития современного машиностроительного производства является повышение его эффективности и выпуск конкурентнсспособной машиностроительной продукции. В этой связи к режущему инструменту предъягляются высокие требования по прочности и безотказности его работы в течение заданного периода времени.

Режущая керамика и сверхтвердые материалы (СТМ) это качественно новые инструментальные материалы. Такими инструментами можно с высокой точностью обрабатывать детали любой сложной формы из материалов с повышенными прочностными характеристиками и специальными свойствами, в том числе из закаленных сталей, жаропрочных сплавов, труднообрабатываемых чу-гунов, цветных металлов и абразивных неметаллических материалов.

Однако широкое применение этих материалов на машиностроительнь..; предприятиях сдерживается их высокой стоимостью. Кроме того, вследствие хрупкости режущая керамика и СТМ весьма чувствительны к вибрациям при резании, имеются также трудности использования их для обработки с большими толщинами среза и прерывистом резании.

В связи с изложенным остро стоит задача разработки методов их упрочнения, напрявленных на повышение их прочности как в обьеме, так и в поверхностных слоях инструмента. Методы упрочнения, обеспечивающие решение указанных задач, для режущей керамики и СТМ в настоящее время отсутствуют.

Работа выполнялась по программе " Дальний Восток России", секция "Машиностроения", финансируемой Госкомвузом РФ.

Цель работы. Повышение работоспособности инструмента из режущей керамики и СТМ на основе изучения механизмов их разрушения и изнашивания.

Научная новизна работы состоят д:

-разработке механизмов хрупкого разрушения инструмента из режущей керамики и СТМ;

-разработке механизмов изнашивания инструмента из режущей керамики и СТМ.

Практическая ценность. Разработаны и эсперимек-тально подтверждены методы повышения работоспособности инструмента■

- метод повышения работоспособности оксидно-карбидной керамики за счет вакуумного отжига :

- комбинированный метод повышения работоспособности оксидно-карбидной керамики путем отжига ,с последующим осаждением мягкого слоя из Zr;

- метод повышения работоспособности СТМ путем отжига, с последующим осаждением мягкого слоя из Zr;

устройство для контроля предельного износа режущего инструмента, оснащенного СТМ на токарных станках с ЧПУ.

Реализация результатов работы. Результаты исследований внедрены на заводе литейного оборудования "Амурлитмаш" и на авиационном обьединении им. Ю.А.Гагарина г. Комсомольска-на-Амуре.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Комсомольского'-на-Амуре политехнического института 1988-1994 гг., краевой научно-технической конференции "Повышения надежности системы диагностики металлорежущих станков", г. Хабаровск, 1988 г., краевой научно-технической конференции "Повышение эффективности использования автоматизированных комплексов на предприятиях Дальнего Востока, г.Комсомольск-на-Амуре, октябрь 1989 г. Комсо-мольск-на-Аыуре; Всесоюзной научно-технической конференции "Механика конструкций композиционных материалов и проблемы диагностических испытаний, сентябрь 1990 г.; международной научно-технической конференции "Технические средства, методы расчёта, технологии, обеспечивающие надежность и долговечность деталей и конструкции из новых материалов з машиностроительной промышленности", г. Комсомольск-на-Амуре, сентябрь 1992 г.; международном научно-техническом симпозиуме "Hay-

коёмкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока", г. Комсомольск-на-Амуре, сентябрь 1994 г..

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 4 статьи.

объемы диссертации■ Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка использованной литературы из наименований, приложений, содержащих документы о внедрении результатов работы. Диссертация изложена на страницах машинописного текста,

содержит рисунков, таблиц.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы.

В первой главе приводится литературный обзор основных свойств качественно новых инструментальных материале з какими являются режущая керамика и СТМ . Приводится литературный обзор по исследованию механизмов оазрушения и изнашивания новых инструментальных материалов, а также существующие способы их упрочнения.

Анализ литературных данных показал, что разработка данных инструментальных материалов ведётся главным пбразом с металловедческих позиций, при этом в качестве критериев оценки прочности широко используется такие характеристики как предел прочности на изгиб, растяжение и т. Д.". Это привело к появлению широкой гаммы режущей керамики и СТМ для различных видов и условий обработки и• свидетельствует о том, что их потенциальные возможности далеко не исчерпаны.

В настоящее время в основном изучено влияние внешних факторов ( температуры, нагружающих напряжений и т.д.) на механизм разрушения и износа режущей керамики и СТМ, причем главным образом на зарубежных марках. Механизмы изнашивания и разрушения отечественных марок режущей керамики и СТМ изучены не достаточно.

Одним из путей более полной реализации потенциальных возможностей этих инструметальных материалов

является их упрочнение. Однако методы упрочнения режущей керамики и СТМ в настоящее время отсутствуют.

С учетом выше изложенного, в настоящей работе бьши определены следующие основные задачи исследований:

1. С использованием современных методов физико-химического анализа и электронной микроскопии изучить механизмы хрупкого разрушения рабочей части инструмента $з режущей керамики и СТМ отечественного производства .

2. На основе структурно-энергетического подхода к прочности изучить механизмы изнашивания рабочей части инструмента из режущей керамики и СТМ.

3. Разработать методы повышения работоспособности режущей части пластин из керамики и СТМ.

Во второй глава изложены методики исследования процесса разрушения и изнашивания режущей керамики и СТМ.

С.тойкостные испытания режущей керамики и СТМ выполняли на токарно-винторезном станке модели 16К20ФЭС32 с бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя.

Оценка энергетической стабильности поверхности режущей керамики и СТМ проводилась методами экзоэлект-ронной эмиссии (ЭЭЭ) на установке, разработанной проф. B.C. Кортовым.

Трещиностойкость режущей керамики и СТМ оценивали путем регистрации акустической эмиссии. Это поово-лило исследовать трещиностойкость локальных объёмов пластин в широком спектре режимов нагружений. Диссипа-тивные свойства режущей керамики измеряли методом внутреннего трения.

Исследование поверхностей разрушения и изнашивания осуществляли на металлографическом микроскопе, электронном микроскопе ЭМВ-100Л, а также сканирующем микроскопе JSM-35 CF . Микроренгеноспектрьльный анализ проводили на приборе "С'АМЕВЙХ".

Исследование дислокационной структуры режущей керамики и СТМ выполняли с помощью электронной микроскопии тонких фольг .

В третьей гл&аа экспериментально исследовался процесс разрушения и изнашивания режущей керамики и СТМ .

Сопротивляемость хрупкому разрушению режущей керамики изучали в условиях прерывистого резания закаленной стали 45 (40-45 Ш1С). Использовался стенд, где устанавливалось до 40 сменных образцов из указанной стали. Применяли резцы, оснащенные пластинами из ЦМ-332, ВО-13, ВОК-60, ВОК-63 и' ВОК-71. Режим обработки: \Г=90 м/мин; 5=0,46 мА/аб, мм. Испытания проводили

до скалывания режущего лезвия.

При точении термообработанных сталей 45, 4ОХ (40...45 ИКС) исследовались пластины из оксидно-карбидной керамики (ВОК-бО, ВОК-63, ВОК-71), оксидно-нит-ридной керамики (кортин.-г), силинит-Р. Режим обработки: У=150...300 м/мин, 8=0,21 мм/об, <:=1 мм.

Сопротивление хрупкому разрушению СТМ (киборит, композит-ЮД) проводили на выше описанном стенде при обработке спецчугуна на режимах обработки: \?=100 м/мин, Б=0,11 мм/об, Ъ=0,75 мм и закаленной стали ХВГ (62-65 ПКС) на режимах:У=50-400 м/мин, 8=0,11 мм/об и Ъ=0,5 мм до, скола режущего лезвия.

Износостойкость СТМ также исследовали при непрерывном точении деталей из спецчугуна (60-63 НДС) га режимах обработки : У=100...200 м/мин, 2=0,11 мм/об, Ь=0,75 мм.

В таблице 1 приведены результаты оценки циклической прочности режущей керамики.

Таблица 1

Циклическая прочность режущей керамики

Марка керамики ЦМ-332 ВО-13 ВОК-63 ВОК-71 Силинит-Р

N•103 циклов 3,2 12 35 41 52

р

На рис. 1 приведены результаты исследований работоспособности режущей керамики и СТМ при прерывистом точении стали ХВГ. Как показывает анализ результатов исследования, длина £ пути, проходимого лезвиеы из киборита до скола, до 10 раз превышает соответствующий показатель керамики. Более, того, зависимость носит экстремальный характер, оптимальная скорость находится в интервале \7=180-250 м/мин.

Рис.1 Зависимость пути проходимого режущим

лезвием до скола, от скорости резания: 1-ВОК-бО; 2-ки-борит, пластина квадратная; 3-тоже круглая.

При непрерывном резании спецчугуна (табл. 2) наибольшую работоспособность проявляет оксидно-карбидная керамика.

Таблица 2

Работоспособность инструментальных материалов при точении'деталей из спецчугуна

Инстоументальный материал ВОК-13 ВОК-71 ВОК-95С Киборит

Т,мин (У=10Ом/мин) 18 39 60 15

Т,мин (\?=200м/мин) 5 8 5 2

Чатвар-гая глава посвещена изучению механизмов хрупкого разрушения и изнашивания режущей керамики и СТМ, на основе структурно-энергетического подхода к прочности материалов и с широким привлечением электронной микроскопии, а также тонких методов физико-химического анализа.

Электронно-микроскопические исследования структуры различных видов керамику СТМ позволяет рассматривать этот класс инструментальных материалов как дисперсно-упрочненные. После алмазной обработки поверх-лостный слой на глубину до 2...5 мкм трещиноватый,' у хиборита он составляет 5...10 мкм. В белой керамике лоры располагаются на межзёренных границах и имеют остроугольную форму, что создает концентрацию напряже-лий в объёме.

^рактографический анализ поверхностей изломов из режущей керамики показывает, что наблюдаются области скалывания объёмов с границей раздела. В оксидно-кар-Зидной керамике крупные зерна А1203 разрушаются сколом, а мелкие А1203 и Т1.С по межзёренному механизму, развитие зоны долома связано с образованием вторичных ликротрещин, возникающих на поверхности пластины и приводящей к скалыванию режущего лезвия. В изломах нитридной керамики наблюдается з основном межзёренное разрушение. На поверхности разрушения инструмента из киборита, также реализуется межзёренное разрушение.

С помощью -микроскопии тонких фольг установлено, что в оксидно-карбидной и нитридной керамике,- которую получают горячим прессованием, зерна А12Оэ, 8±3Н4

12 —2

фрагментируются (плотность дислокаций р « 10 см )'. В белой керамике ЦМ-332, ВО-13 плотность дислокаций на

£ _2

поверхности в отдельнных зернах достигает 10 СМ , а границы зёрен- и сами зерна в обьеме пластин свободны от дислокаций. Следовательно, в зависимости от технологии получения в инструментальных материалах реали-зveтcя несколько механизмов уррочнения: деформационный, зернограничный, дисперсный и субструктурный. В связи с этим сопротивляемость хрупкому разрушению и

изностойкость режущей керамики и СТМ будет в значительной степени определяться этими механизмами упрочнения, а также свойствами материала матрицы, вторых фаз, их содержанием и размерами частиц.

Оценки коэффициента вязкости разрушения К1о (трещиностойкости) различных марок керамики (табл.3) позволили установить связь К1с с их циклической прочностью : чем выше , К1стем выше N число циклов до скалывания режущего лезвия.

ж'аблица 3

Вязкость разрушения режущей керамики

Марка керамики ЦМ- 332 во- 13 вок-60 вок- 63 вок- 71 Силинит-Р Киборит1

К^, МПа • м"! 0, 95 3,21 4,20 4,27 4,33 4,44 "7,50 1

Высокая сопротивляемость силинита-Р скалыванию (табл.1) обусловлена его высокой дисперсностью, а также наличаем на границах зёрен пластичных силикатных соединений Мд23104 .

Трещиностойкость СТМ оценивали при импульсном лазерном воздействии на поверхностные слои пластины с регистрацией сигнала акустической эмиссии (АЭ). Анализ результатов испытаний показывает, что на начальном этапе запасания энергии при накачке ее лазером поверхностные слои СТМ обладают большой энергоёмкостью, чем оксидно-карбидная керамика, однако затем разрушение происходит по взрывному механизму. Это свидетельствует о значительных внутренних напряжениях, формирующихся в объеме пластин.

Электронно-микроскопическим исследованием установлено, что процесс изнашивания режущей керамики сопровождается образованием лунки на передней и фаски на задней поверхности. На задней поверхности по краям контакта реализуется краевой износ в виде "усов". Анализ электронно-микроскопических исследований позволяет заключить, что процесс изнашивания оксидно-карбидной керамики сопровождается микроразрушенлем зёрен, вырывом зерен матрицы, а также образованием мелко-

дисперсной фракции, вследствие спекания продуктов диспергирования (раскалывания) зёрен. Образование микротрещин на границах зёрен вследствие их малой прочности и их рост в глубь пластины под воздействием вибраций инструмента приводит к скалыванию режущего лезвия. Аналогичная картина изнашивания установлена при изучении пластин из СТМ, в частности, киборита.

Механизм изнашивания инструментальных материалов рассмотрен с позиций структурно-энергетического подхода к их прочности. При внешнем трении в условиях резания работа сил трения Лв затрачивается на запасание ли энергии деформации в поверхностных слоях инструмента и образования тепла 52:

Лт^ди+О (1)

Способность поверхностных слоев инструмента запасать .чнерг уо упругой деформации вследствие повышения р плотности дислокаций определяет их энергоёмкость ¿ДЕдР.Энергоёмкость характеризует способность тугоплавких соединений сохранять прочность при накоплении дислокаций з процессе внешнего трения (механического нагружения).

Чем выше ЛЕ£Р, тем большей сопротивляемостью изнашиванию обладает тугоплавкое соединение.

В таблице 4 приведены результата расчёта энергоёмкости различных тугоплавких соединений.-

Таблица 4

Энергоёмкость тугоплавких соединений

Структура А120э 5±3И4 ТШ вмсф т±с КС

ДЕ^, кДж/моль 1073К 146, 3 151,7 113, 9 138, 6 129,2 106,9

В процессе резания плотность дислокаций в 'зернах А1203 и ВКсф повышается. Зыхо'д дислокаций на поверхность инициирует твердофазное адгезионное взаимодейст-

вие между зернами инструментального и обрабатываемого материалов. Высокая энергия активации дислокаций 0о в зернах А12Оэ, Тл.С, 8±3И4 является причиной хрупкости и микроразрушения, кроме того наличае в Л1гОэ только двух систем скольжения вследствие этого невозможность выполнения условия Мизеса обусловливает микроразрушение зёрен и трещинообразования керамики по границам зёрен, прежде всего, вблизи тройных стыков.

г.? Высокая износостойкость оксидно-карбидной керамики, по сравнению с белой керамикой, связана как с более высокой энергетической стабильностью поверхностных слоёв из-за "фрагментации зёрен й1203 так и повышенными демпфирующими свойствами. В таблице 5 приведены результаты исследования экзоэлектронной эмиссии (ЭЭЭ) с поверхностных слоёв пластины и уровня внутреннего трения, свидетельствующие о высокой энергетической стабильности оксидно-карбидной керамики и их демпфирующих свойствах.

Таблица 5

Экзоэлектронная эмиссия с поверхностных слоёв пластин и внутреннее трение инструментальных материалов

Материал ВО-13 ВОК-бО ВОК-71 ТН-20 ВК-8+Т1С

¿Г, имп/с 715 520 390 750 2900

О'1 ■ 1СГ3 3,1 4,3 5, 68 - 6,2

Оксид алюминия, наряду с высокой АЕ^3 энергоёмкостью, имеет также повышенное значение ДК]? свободной энергии образования, следовательно является энергетически устойчивым соединением по отношению к металлам группы железа. Фрагментацля зёрен снижает адгезионную активность поверхностных слоёв пластин и повышает их сдвиговую устойчивость. В таблице 6 приведены результаты расчёта значения Д^ свободной энергии образования тугоплавких соединений и ио энергии активации дислокаций.

Таблица б

Свободная энергия образования и энергия активации дислокаций тугоплавких соединений

Тугоплавкие соединения &Д.203 висф Т1С КС

ДР1273К, кДж/моль 1440 153, 5 167,2 34,8

ио, зв 1,6 0, 8 2,55 1,5

В таблице 7 приведены значения сдвиговой устойчивости *сдв. зёрен матрицы керамики: ' <гсД». = а ' ® ' " ' Р ' гЯе а - коэффициэнт; С -модуль сдвига, Ь - вектор Бюргерса; р - плотность дислокаций}.

Таблица 7

Сдвиговая устойчивость тугоплавких соединений

.Матрица кеоамики тсла., МПа

А1203 Л1203 А1203 висф

р = 106си~2 р = 5 • 10й см"2 р = 1014 си " 2 р = 10" см"2 р = 10" см"2

1 125 790 946 1125

Из таблицы 7 видно, что с ростом р сдвиговая устойчивость зёрен А1203 увеличивается. Следует отметить, что при режимах резания V = 100...300 м/мин, 3 = 0,1 мм/об и Ь = 0,5...2,0 мм касательные напряжения при обработке сталей 45, 40Х составляют =

700...900 МПа. Поэтому, даже при субструктурном упрочнении зёрен Л1203 их сдвиговая устойчивость оказывается ниже, чем касательные напряжения т^ при резании, что вызывает микроразрушение зёрен. Зерна ВЫсф обладают более высокой сдвиговой устойчивостью, чем зерна А12Оэ.

Анализ результатов таблиц 4, б и 7 объясняют более высокую износостойкость оксидно-карбидной керамики в условиях непрерывного резания (табл. 2) и, напротив, их низкую работоспособность в условиях прерывистого резания (рис. 1),

Микроренгеноспектральным ' анализом в наслоениях из обрабатываемого материала на контактных площадках обнаруживаются оксиды РеО, , также соединения

РеА1204 и Ревл-О^ из-за замещения железом магния 2+ 2 +

( Ев —> Мд ) в оксиде магния, шпинели и силикатах.

Следовательно, при резании сталей белой керамикой происходит интенсивное адгезионно-диффузионное взаимодействие между железом, МдО и шпинелью МдА1204 , располагающихся по границам зёрен керамики. Это ослабляет их прочность и способствует вырыву зёрен или сдвигу блоков зёрен. Наряду с этим возможно растворение зёрен А12Оэ , т.е. их изнашивание при взаимодействии с оксидами железа (например, РвО +А1203 —> РеА1г04) кремния и кальция. Этот процесс может интенсифицироваться за счет образования соединений типа А1203-Са0 с низкой температурой плавления в жидкой фазе, с последующим формированием стекловидных фаз.

2+ 2 +

Реакция Ре —> Мд на границах зёрен интенсифицирует окислительные процессы из-за свободного доступа кислорода по краям контакта стружки с передней поверхностью инструмента вызывает образование характерных "усов". Доступ кислорода к границам зёрен облегчается раскачкой зёрен и появлением на границах ыикротрещин. Эти процессы снижают работоспособность режущей керамики. Установлено, что резание в среде аргона снижает интенсивность износа керамики, особенно оксидной.

Диспергирование зёрен А12Оэ при трении, спекание диспергированных частиц повышает износостойкость поверхностных слоёв в период "нормального" износа. В этой связи микроразрушение зёрен и спекание продуктов микроразрушения с образованием мелкодисперсных частиц следует рассматривать как результат самоорганизации поверхностей трения.

Особенность износа киборита состоит в том, что в конце лунки и на задней поверхности наблюдались налипы

(наслоения) в ваде "языков". С помощью микроренгено-спектрального анализа в налипах обнаружены оксиды, бора, "железа, хрома и марганца. При электронно-микроскопическом исследовании после стравливания налипов на изношенных площадках выявились микротрещины, а также зерна подвергнутые, микросколу, и изьяны вследствие вырыва отдельных зёрен или их групп.

Механизм изнашивания СТМ при резании также следует рассматривать с позиций структурно-энергети-:еского подхода к их прочности. Высокие касательные и нормальные напряжения стн на контактных площадках вызывают структурные (дислокационные) изменения в зернах матрицы и способствуют протеканию диффузионных: процессов под воздействием тепла на передней и задней поверхностях.

Для нитрида бора (1Шз и ЗЗЯсф) свойственна более низкая энергия активации дислокаций, чем для оксида алюминия. Кроме того, известно, что алмазоподобные модификации (ВИв и ВНсф) в нормальных условиях термодинамически не стабильны и при температуре 873-1373К переходят в гексагональную фазу. Следовательно, в процессе резания под влиянием деформации возможны фазовые переходы (ВЫя—>ВИг> и ВНсф—>ВМг) , способствующие образованию дефектных участков обладающих пониженными механическими свойствами.

Расчет термодинамических потенциалов реакций

взаимодействия- оксида алюминия и нитрида бора с железом при различных температурах показывает, что они энергетичетки не выгодны и имеет положительное

значение. Однако расчеты показали, что оксиды нитрида бора вступают в твёрдофазнсе взаимодействие с оксидами элементов , содержащихся в спецчугуне , в частности , оксидами хрома, кремния, и марганца обнаруживаются в часлоениях при микроренгеноспектральном анализе. Таким образом, в процессе резания может происходить взаимодействие оксидов хроыа, марганца'и кремния с зернами и оксидами 1Шс4, что сопровождается частичным растворе-

ние*л последних , особенно при образовании жидкой фазы и отрывом зёрен с контактных поверхностей.

Нитрид бора является менее термодинамически стабильным элементом, чем А12Оэ подвергается окислению с образованием непрочных оксидов В203, которые обнаруживаются при микроренгеноспетральном анализе наслоений. Фазовые превращения, вызывающие образование гексагонального нитрида бора, инициирует процесс изнашивания особенно по краям фаски износа по задней поверхности с образованием "усов". Влияние окислительных процессов на изнашивание СТМ подтверждается тем, что с повышением процентного содержания хрома в сталях, стойкость инструмента снижается.

Важным фактором, влияющим на работоспособность киборита, особенно при прерывистом резании, является жесткость станка. Исследования показывают, что снижение жесткости станка от 3 = 3 кН/мм до 3 = б кН/мм сопровождается падением работоспособности инструмента до 3 раз. Измерение размаха (2А) относительных колебаний инструмента и заготовки (по нормали к обрабатываемой поверхности) при использовании киборита позволило выявить влияние вибраций на работоспособность инструмента. Установлено, что критической величиной является 2А>30...35 мкм.

Пятая глава посвещена рассмотрению путей повышения хрупкой прочности и износостойкости режущей части керамики и СТМ.

Одним из эффективных методов повышения тре^чно-стойкости режущей керамики является ее вакуумный отжиг. Это достигается за счет залечивания дефектов при температурах, где наблюдается релаксация межфазных напряжений. При этом залечиваются как дефекты (микротрещины) поверхностного слоя за счет перекристаллизации, так и снижается внутренние напряжения. Метод внедрен на заводе "Амурлитмаш" (г. Комсомольск-на-Амуре) .

В таблице 8 приведены результаты исследования эффективности термообработки оксидно-карбидной керами-

ки ВОК-бО при точении деталей из стали 40Х (42...45 ПКС) . Режим обработки : \Г=140 м/мин, 3=0,23 мм/об, ^0,5... 2,5 мм. Пластины подвергали вакуумному отжигу ( В.О.)

Таблица О

Работоспособность режущей керамики при точении стали 40 X

Керамика Стойкость при черновой обработке, мин. Стойкость при чистовой обработке, мин.

ВОК-бО 14 13

ВОК-бО с В.О. 19 ' 23

Одним из эффективных методов повышения прочности режущей керамики является, воздействие на поверхностные слои пластин высокоцентрированными источниками энергии (ВИЭ). Исследования проводили на пластинах ВОК-71. Импланировали керамику ионами Т1 при плотности тока 2, 9-1017 ион/см^ и энергии 70 кэВ. После имплантации твердость поверхностных слоёв увеличилась в 1,21,5 раза, а трещиностойкость также возросла.

Лазерное излучение проводили на энергиях 1-2

2

Дж/ш* . при этом происходило оплавление поверхности, т.е. ее аморфизация. В результате поверхность получается ■ однородной, что приводит к повышению прочностных свойств материала. Аморфизация тонких поверхностных слоёв при ВИЭ обеспечивает при сдвиговой деформации и высоких температурах динамический возврат и рекристаллизацию с образованием мелкодисперсной структуры.

Методом повышающим прочность и износостойкость режущей керамики является осаждение мягких слоёв из тугоплавких материалов (Т1, %х, Шэ) -с ионной бомбардировкой; Это приводит к заполнению (залечивание) чистым металлом поверхностных трещин и дефектов формирующихся после алмазной обработки, в результате чего повышается сопротивляемость поверхностных слоёв керамики окислению и раскачке зёрен. Наибольший эффект достигается

при сочетании ионной имплантации с последующим осаждением мягкого слоя. Рекристаллизация микрообъёмов поверхностных слоёв пластин при ионной бомбардировке повышает адгезию покрытия из мягкого слоя с керамической основой.

Повышение работоспособности СТМ обеспечивается увеличением жесткости станочного оборудования. Уменьшению 2А размаха относительных колебаний инструмента и заготовки способствует округление режущего лезвия.

Важным резервом повышения работоспособности рабочей части инструмента является контроль предельного износа, предшествующего скалыванию режущего лезвия. Разработано устройство для контроля предельного износа , основанное на регистрации изменения частоты виброакустического сигнала (ВА) при резании.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Хрупкое разрушение режущей керамики и СТМ реализуется сколом и межзёренным разрушением. Зарождению трещин способствуют дефекты их структуры и алмазной заточки.

2. На сопротивляемость хрупкому разрушению оказывает влияние размер зёрен , их дислокационное строение и внутренние напряжения. Это обстоятельство обеспечивает нитридной керамике (силинит-Р) и СТМ более высокую сопротивляемость хрупкому разрушению, по сравнению с оксидно-карбидной и оксидной керамикой.

3. На основе электронно-микроскопических исследований и физико-химического анализа разработан механизм изнашивания режущей керамики и СТМ. Механизм изнашивания режущей керамики и СТМ обусловлен низкой сдвиговой устойчивостью зёрен и развитием адгезионно-диффузионных процессов на контактных площадках инструмента. Последнее интенсифицирует окислительные процессы и массоперенос. В результате происходит износ зёрен вследствие химических реакций и образование легкоплав-

ких соединений. Низкая сдвиговая устойчивость зерен вызывает их раскалывание.

4.' Повышение сопротивляемости хрупкому разрушению режущей керамики и СТМ достигается за счет оптимизации режима алмазной обработки, устраняющей образование микротрещин в поверхностных слоях пластин, а также термообработкой (отжигом), обеспечивающей снижение внутренних напряжений в обьеме, и залечивание микротрещин на поверхности.

5. Сопротивляемость изнашиванию режущей керамики, обеспечивается путем ионной имплантации пластин и лазерной обработкой режущих лезвий. При этом происходит увеличение плотности дислокаций в зернах и однородность структуры за счет амортизации и последующей перекристаллизации объёмов.

п. Повышение износостойкости СТМ достигается. за ~чет термообработки, а также оптимизации жесткости станочного оборудования. Повышение надежности СТМ обеспечивается диагностикой износа на основе регистрации акустического сигнала при резании. Разработано устройство для контроля предельного износа инструмента. Устройство внедрено на АО им. Ю.А. Гагарина (г. Хомсомольска-на-Амуре).

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах

Стойкость режущего инструмента, оснащенного керамикой и сверхтвердыми материалами (в соавторстве) / Станки и инструмент. - 1991. -№12. - С.9-21.

2. Работоспособность резцов из различных инструментальных материалов при обработке высокопрочного чу-?уна (в соавторстве) // Сверхтвердые материалы. 1991. - №6. - С.29-33.

. Трещиностойкос.ть, термическая стабильность и демпфирующие свойства композиционной режущей керамики (в соавторстве) // Тезисы докладов всесоюзной конференции. - Комсомольск-на-Амуре, 1990.

4. Надежность ПСТМ в условиях автоматизированного производства ( в соавторстве ) / Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительные предприятиях Дальнего Востока // Тезисы докладов международного научно-технического симпозиума. - Комсомольск-на-Амуре, 1994.

КнАГТУ. .тир.ЮО ,зак ЛШ6.